火力发电机组二次再热控制方式的探讨

刘树洲，米大利

（中南电力设计院，武汉 430071）

1 二次再热机组简介

蒸汽中间再过热，就是将汽轮机（高压部分）内膨胀至某一中间压力的蒸汽全部引出，进入到锅炉的再热器中再次加热，然后再到汽轮机（低压部分）内继续做功。经过再热以后，蒸汽膨胀终了的干度有明显地提高。虽然最初只是将再热作为解决主汽干度问题的一种办法，而发展到今天，它的意义已远不止此。现代大型机组几乎毫无例外地采用再热循环，因此它已成为大型火电机组提高效率的必要措施。从世界范围内现有的蒸汽发电机组来说，再热方式包括一次再热和二次再热[1]。

所谓一次再热，指的是将汽轮机高压缸的排汽全部引出，进入到锅炉的一级再热器中加热，然后再到汽轮机中压缸内继续做功。而所谓二次再热，指的是将汽轮机（超）高压缸内膨胀至某一中间压力的蒸汽全部引出，进入到锅炉的二级再热器中再次加热，然后再到汽轮机高（中）压缸内继续做功[2,3]。

二次再热机组的汽轮机包括超高压缸、高压缸、中压缸和两个低压缸，超高压缸排汽去第一级再热器，高压缸排汽去第二级再热器，热力系统主要变化有：

1）锅炉增设一个低压再热器，相应增加低压再热器事故喷水系统。

2）增加二次冷再热蒸汽管、二次热再热蒸汽管及对应的疏水阀。

3）给水（凝结水）回热由八级增至十级，相应增加一台高压加热器和一台低压加热器及对应的液位调节阀和危急疏水阀。

4）抽汽管道数量和级数增加，对应的抽汽逆止阀相应增加。

5）汽轮机旁路系统采用高、中、低压三级串联旁路，增加了一级中压旁路及对应的减压阀、减温阀和隔离阀。

2 二次再热控制系统

1000MW二次再热机组较常规1000MW机组热控主要增加了下列控制回路和顺控子组：

1）二次再热温度调节控制回路。

2）二次再热管道疏水阀顺控子组。

3）增加的抽汽管道疏水阀顺控子组。

4）增加的一台高压加热器和一台低压加热器相对应的液位调节控制回路和危急疏水子组控制。

5）增加的抽汽逆止阀、电动门的顺控子组。

6）汽轮机旁路系统高、中、低压三级串联旁路控制回路。

可以看出1000MW二次再热机组较常规1000MW级机组虽然增加了数个控制回路和顺控子组，但除“二次再热温度调节控制回路”外，其它4项的控制策略较常规1000MW级机组没有大的区别，下面着重对二次再热的温度控制策略进行阐述。

2.1 二次再热的温度控制手段

从控制的角度来看，二次再热锅炉和常规的一次再热锅炉最大的区别就是两级再热蒸汽温度的控制。哈锅再热蒸汽主要采用烟气再循环+尾部竖井双烟道调温挡板进行调节，同时燃烧器的摆动也作为辅助手段参与再热蒸汽的温度调节，还设置有事故喷水减温器；东方电气再热蒸汽采用尾部三烟道平行烟气挡板调节+50%以下负荷烟气再循环辅助调节，还设置有事故喷水减温器；上海电气采用尾部烟道烟气挡板调节+烟气再循环和事故喷水减温的调节方式。

烟气挡板作为一次再热、二次再热温度的主要调温手段，同时还兼顾平衡一次再热器、二次再热器的吸热量。通过调整烟气挡板的角度，使一次再热器、二次再热器的出口温度同步，避免其中某一级再热器吸热量大、另外一级再热器吸热量小的情况发生；烟气再循环挡板的作用主要是当锅炉负荷较低时，用来提高一次再热器、二次再热器的对流热，使之按需要的温度指令升高[4]。

从上述3大锅炉的二次再热温度调节手段可以看出，其都配有事故喷水减温，但喷水减温在正常运行过程中是不允许投入的，再热器的出口蒸汽温度在正常运行时靠布置在锅炉尾部烟道的烟气挡板进行调节（即使设置有燃烧器摆动火嘴，也只能将其作为辅助手段），只有在紧急事故情况下，即在烟气挡板或采取其他调节手段无效并且再热汽温仍高出额定值时才采用事故喷水。因为事故喷水在锅炉加热后，使进入汽轮机高、中低压缸的蒸汽流量增加，从而使其出力增加，在负荷不变的情况下，限制了超高压缸的出力，使其进汽量减少，这相当于以部分的低压蒸汽来代替高压蒸汽进行循环，使整个机组的热经济性下降。事故喷水量是火力发电厂的重要经济指标，再热蒸汽每喷入1%（锅炉蒸发量的1%），机组的热循环效率就降低0.1%~0.2%。所以再热器的温度控制的主要手段是以烟气挡板进行调节的，正常运行时事故喷水应处于关闭状态。

2.2 二次再热温度超温的原因分析

一次再热、二次再热由于温度超温而引起的事故喷水的原因很多，归纳起来有以下几个方面的内容。

2.2.1 锅炉超负荷运行

炉膛的容积热负荷qv=BQd/VL。对于一个运行的锅炉，容积VL是一个定值，由于系统泄漏及自用的蒸汽量较大或未及时清理受热面上的灰渣时锅炉欲达到设计出力，只能增加入炉燃料量B，最终使锅炉容积热负荷qv增大。燃料量的增加直接导致烟气流量的增加，烟气流速增加，燃料在炉膛内停留的时间相对减少，使炉膛出口温度升高，而qv的增大将使炉膛火焰中心温度升高，炉膛出口温度相对升高，再热器吸热多，造成事故喷水流量增大。

2.2.2 一次风量大

当一次风压高过设计值时,磨组一次风量也高于设计值时，煤粉相对变粗，机械不完全燃烧加大，需增加燃料，增加烟气量，使再热器吸热多，造成事故喷水流量增大。

2.2.3 二次风门执行机构动作不一致

二次风执行机构动作不一致时，使得各层燃烧器配风不合理，炉内空气动力工况与冷态试验结果差别较大，造成煤粉颗粒燃烧及燃尽情况不佳、炉内燃烧工况恶化、火焰形状紊乱、火焰中心位置偏高，使再热器吸热多，造成事故喷水流量增大。

2.2.4 烟气挡板执行机构位置反馈有误

当烟气挡板执行机构位置反馈有误时，如当再热器烟气挡板的实际位置尚有部分开度时，此时其位置变送器显示开度为0，当此时一次再热、二次再热出口的蒸汽温度超温，事故喷水将会动作。

2.2.5 温度测量元件热响应时间长

普通的测量再热汽温的热电偶热响应时间长，为几十秒甚至到二三分钟，不能正确反映实际的再热汽温，造成调节系统的延迟，致使喷水减温的不必要动作，影响机组的热效率，甚至引起再热器温度超过设计值，影响再热器的寿命并可能致使再热器损坏。

2.2.6 燃用煤种与设计煤种偏差大在实际运行中，电厂燃用的煤种经常偏离设计值，燃煤可燃基挥发分超过设计值，由于截面热负荷过大，火焰拥挤，炉膛结构尺寸相对较小，煤粉在炉膛内火焰高度不能满足要求，炉膛出口温度升高，再入口烟温高，火焰中心高，再热器吸热多，从而造成事故喷水减温动作。

2.3 二次再热温度控制应对策略

通过2.2节“二次再热温度超温的原因分析”，可发现导致事故喷水减温动作涉及“锅炉超负荷运行”、“一次风量大”、“二次风门执行机构动作不一致”、“烟气挡板执行机构位置反馈有误”、“温度测量元件热响应时间长”、“燃用煤种与设计煤种偏差大”等6个方面的原因，温度控制的对应策略如下。

2.3.1 锅炉超负荷运行的防止策略

选用优质的吹灰器、优化吹灰程序保证及时消除受热面上的的灰渣，使锅炉容积热负荷qv、烟气流速不高于设计值，燃料在炉膛内有足够的停留时间、燃烧充分，保证炉膛出口温度不高于设计值，防止事故喷水减温动作。

2.3.2 一次风量大的防止策略

严格控制一次风压和一次风量，使其不高于设计值，煤粉细度达到设计要求，在炉膛内的燃尽时间足够长，火焰中心在设计位置，使再热器吸热量合适，防止事故喷水减温动作。

2.3.3 烟气挡板执行机构位置反馈有误的防止策略

对于烟气挡板执行机构位置反馈有误导致的事故喷水减温动作，可通过选用质量可靠的优质产品，并在调试阶段做仔细的标定、运行中重点检查的多重手段来防止此种情况的发生。

2.3.4 温度测量元件热响应时间长的防止策略

对于测量再热气温的温度测量元件，采用热响应时间短、温度变化反应迅速的快速反应热电偶即“疏水探针”，此种“疏水探针”热电偶可做到热响应时间3s左右，从而解决喷水减温的不必要动作，提高机组的热效率。

2.3.5 燃用煤种与设计煤种偏差大

对于电厂燃用的煤种经常偏离设计值造成事故喷水动作的问题，只能靠电厂在进煤环节来严格控制，或多种煤混掺燃烧的方式，降低炉膛出口温度、减少再热器多吸热，从而避免造成事故喷水减温的动作。

2.4 二次再热涉及的其它控制

2.4.1 高加水位控制

给水为4台高加大旁路系统，对测量和控制要求更高。任何一台高加由于水位过高都会造成所有高加切除，由此带来给水温度过低使得锅炉效率受到严重影响。为了避免此情况发生，每台高加水位采用3台液位变送器测量，在采用现场总线方案时分3个不同的网段接入机组控制系统，由此提高检测的可靠性。控制系统进行三选中模拟量调节，并将模拟量转化为数字量设定值3取2控制抽汽和疏水，在水位高三值切除抽汽（关闭逆止阀和电动门）、在水位高二值时紧急开启危急疏水阀。

2.4.2 蒸汽旁路系统控制复杂化

由于汽轮机旁路系统采用高、中、低压三级串联旁路系统，增加了一级中压旁路，使旁路系统变得复杂，而且旁路系统作为机组协调系统的重要调节回路，减压阀、减温阀和喷水隔离阀的动作要求都很高，故有关信号采用常规硬接线方式接入到DCS的相应卡件。

2.4.3 汽机进汽方式多样，DEH控制对象多而复杂化

汽机的负荷和转速靠调节汽机的进汽量来实现，DEH要求主调门、一次及二次再热调门动作迅速，故采用常规DCS方案即输入、输出信号用硬接线方式接入到DEH的相应卡件。

3 二次再热控制系统采取的优化措施

采取二次再热方案后，对控制设备的配置方案、设备的选型提出了更高的要求，对控制系统的配置和控制方案带来较大变动，为适应控制系统变化引起系统复杂化对控制要求，控制设计需采取有效措施，从仪表设备配置、选型、控制系统等方面，整体提高仪控系统的安全可靠性，以便消除二次再热因热控设备、逻辑的误动/拒动而带来机组可靠性降低的问题。拟采取以下主要措施[5,6]。

3.1 提高控制设备及检测点的可靠性

在设备选择中重视仪控设备的可靠性，相应增加进口设备范围，同时国产设备也严格要求采用国内优质产品。

3.2 在一次检测仪表设备的配置上，增加冗余度

在仪表的配置上，增加冗余度，从以下几个方面进行冗余度配置：

1）一次、二次再热器蒸汽温度测量采用三冗余配置。

2）高、中、低压三级串联旁路后压力、温度测点测量采用三冗余配置。

3.3 控制系统配置原则

3.3.1 合理配置控制系统

合理配置控制系统，并从逻辑组态上完善控制系统、提高MCS的调节品质、提高控制逻辑的合理性，避免系统大的波动，避免误动和拒动，并加强控制系统监视，向运行人员提供全面的监控手段和信息，优化画面，能够醒目的在DCS(FCS)上反映一、二级再热汽温，旁路系统蒸汽的压力、温度及各执行器的开关状态、阀位开度等[7]。

3.3.2 遵循热工保护系统 “独立性”原则，做好保护控制设计

热工保护至少满足下列要求：

1）热工保护系统的设计必须具有防止误动和拒动的措施，保护系统电源中断或恢复不会发出误动作指令。

2）热工保护系统设计遵守下列“独立性”原则。

3）热工保护系统输出的操作指令优先于其他任何指令，即执行“保护优先”的原则。

4）保护回路中不设置供运行人员切、投保护的任何操作设备。

4 结束语

本文对机组采用二次再热后的热力系统特点和控制系统策略做了上述论述，实际实施中还将配合热机专业和主机厂、机组控制系统厂商对控制系统做进一步的深入研究和优化,使之完美地解决机组二次再热带来的变化技术问题。

[1]张树芳,冉鹏,郭江龙.应用扩展型能效分布矩阵分析二次再热机组的热经济性[J].动力工程,2006,03.

[2]严俊杰,邵树峰,李杨,等.二次再热超临界机组热力系统经济性定量分析方法[J].中国电机工程学报,2004,01.

[3]邵树峰,严俊杰,刘继平,等.二次再热机组热力系统的定量分析方法[J].西安交通大学学报,2003,11.

[4]梅升.过热汽温控制策略[J].华东电力,2001,01.

[5]李运泽,杨献勇,严俊杰,等.二次再热超临界机组热力系统的三系数线性分析法[J].中国电机工程学报,2002,06.

[6]李运泽,杨献勇,罗锐.二次再热超临界机组热力系统的全方位线性分析法[J].热能动力工程,2002,03.

[7]刘一.锅炉主汽温和一级汽温的新型控制系统[J].自动化博览,2005,03.